1083. Российской Федерации Ивановский государственный энергетический университет Кафедра теоретических основ теплотехники

Министерство образования Российской Федерации

Ивановский государственный энергетический университет

Кафедра теоретических основ теплотехники

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ВЛАЖНОГО АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

Методические указания для выполнения лабораторной работы

Иваново 2004

Составитель И.М. ЧУХИН

Редактор Т.Е. СОЗИНОВА

Данные методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлениям: 650800 Теплоэнергетика, 651100 — Техническая физика, 657900 — Автоматизированные технологии и производства, специальностей: 100500, 100600, 100700, 100800, 101000 и 210200 теплоэнергетического, инженерно-физического и других факультетов, изучающих теплотехнические дисциплины.

Они включают основные теоретические положения, необходимые для расчета термодинамических свойств и процессов влажного атмосферного воздуха и для выполнения лабораторной работы по изучению процессов влажного воздуха на физическом стенде сушильной установки.

Методические указания утверждены цикловой методической комиссией ТЭФ

Рецензент

кафедра теоретических основ теплотехники Ивановского государственного энергетического университета

ТРЕБОВАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

при выполнении лабораторной работы

1. К выполнению работы допускаются студенты, прошедшие инструктаж по технике безопасности в лаборатории технической термодинамики с записью в соответствующем журнале и личной подписью студента и преподавателя, проводившего инструктаж.

2. Включение и выключение установки осуществляется только инженером или лаборантом с разрешения преподавателя.

3. Приступать к выполнению работы разрешается только после ознакомления с методикой проведения эксперимента и самим лабораторным стендом, в чем должен убедиться преподаватель.

4. Запрещается:

а осуществлять подключение и отключение стенда к электропитанию

б осуществлять подключение и отсоединение любых электрических кабелей, проводов заземления и т.п. соединений оборудования

в притрагиваться к неизолированным частям любых проводов, к радиаторам и трубопроводам системы отопления, водоснабжения и канализации, если таковые обнаружатся

г работать при отсутствии света или недостаточном освещении.

5. Обо всех замеченных неисправностях на установке немедленно докладывать преподавателю, и до их полного устранения к выполнению работы не приступать.

1. Цель работы

Изучение термодинамических свойств и процессов влажного атмосферного воздуха.

2. Задание

1. Снять опытные характеристики влажного атмосферного воздуха в процессах нагрева и сушки с физического стенда установки.

2. Провести обработку экспериментальных данных и определить термодинамические параметры влажного воздуха в характерных точках процессов.

3. Построить процессы влажного воздуха, проходящие в установке, в H,d диаграмме.

4. Определить расходы влажного и сухого воздуха через установку.

5. Определить количество сухого воздуха, необходимого для испарения 1 кг влаги в данной установке.

6. Определить количество теплоты, затраченной в калорифере, необходимой для нагрева воздуха при испарении им 1 кг влаги.

7. Определить потери теплоты в окружающую среду в калорифере и сушильной камере в расчете на 1 кг испаренной влаги.

8. Провести анализ процессов, проходящих в установке, с точки зрения их термодинамической эффективности.

3. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Влажный воздух — это смесь сухого воздуха и водяного пара. В воздухе при определенных условиях кроме водяного пара может находиться его жидкая вода или кристаллическая лед, снег фаза. В естественных условиях воздух всегда содержит водяной пар.

3.1. Основные характеристики влажного воздуха

Влажный воздух можно рассматривать как смесь сухого воздуха и водяного пара жидкую и твердую фазы воды в воздухе пока считаем отсутствующими .

Используя законы для смесей газов, получим, что давление влажного воздуха равно сумме парциальных давлений сухого воздуха и водяного пара:

Для наглядности представления основных характеристик влажного воздуха изобразим в Р,v- диаграмме рис.3.1 состояния водяного пара во влажном воздухе. В качестве определяющих параметров водяного пара во влажном воздухе используются темпер

атура воздуха t и парциальное давление водяного пара Рп .

Водяной пар во влажном воздухе может находиться в трех состояниях рис.3.1 : точка 1 — перегретый пар, точка 2 — сухой насыщенный пар, точка 3 — влажный насыщенный пар сухой насыщенный пар плюс капельки жидкости в состоянии насыщения . Высшим пределом парциального давления водяных паров при данной температуре воздуха t является давление насыщения пара Рп max Рн .

Абсолютная влажность ?это массовое количество водяных паров в одном кубическом метре влажного воздуха. Для ее определения используется величина, обратная удельному объему водяного пара при Рп и t, ? 1/v кг/м 3 . Действительно, по закону Дальтона водяной пар занимает весь объем смеси, а его плотность соответствует массе водяного пара в одном кубическом метре влажного воздуха.

Необходимо отметить, что абсолютная влажность воздуха характеризует содержание в воздухе только одной — паровой фазы воды.

Относительная влажность ? — это отношение абсолютной влажности к максимально возможной влажности воздуха при данной температуре:

, 3.2

где ? и v — максимальная абсолютная влажность воздуха и удельный объем сухого насыщенного водяного пара при данной t.

Относительная влажность воздуха характеризует потенциальную возможность воздуха испарять влагу и забирать в себя пар из окружающей среды при данной температуре.

Максимальное содержание пара в воздухе соответствует точке 2 в Р,v- диаграмме, где пар сухой насыщенный. При переходе в область влажного пара при данной t точка 3 в воздухе количество сухого насыщенного пара остается постоянным и соответствует точке 2. Для паровой фазы воды в этом случае удельный объем остается неизменным v const и минимально возможным при данной температуре воздуха, только к нему добавляются капельки воды в состоянии насыщения.

Различают 3 состояния влажного воздуха:

1. Ненасыщенный влажный воздух — ? о С парциальное давление водяного пара очень мало 0,006-0,07 бар , что позволяет применить к перегретому и сухому насыщенному водяному пару уравнение идеального газа:

. 3.3

. 3.4

где Рп. Рн и v, v — парциальные давления и удельные объемы для перегретого и сухого насыщенного водяного пара при температуре Т.

Разделив эти выражения друг на друга, получим расчетное выражение относительной влажности воздуха через парциальные давления водяного пара:

. 3.5

Молекулярная масса атмосферного влажного воздуха определяется по уравнению для смеси газов:

где rв. rп — объемные доли сухого воздуха и водяного пара,

Р, Рв и Рп- атмосферное и парциальные давления сухого воздуха и водяного пара,

?в. ?п — молекулярные массы сухого воздуха и водяного пара, ?в 28,96 кг/кмоль, ?п 18,016 кг/кмоль.

В результате подстановки численных значений молекулярных масс сухого воздуха и водяного пара в выражение 3.6 получаем расчетное выражение молекулярной массы влажного воздуха в виде

. 3.7

Молекулярная масса влажного воздуха меньше молекулярной массы сухого воздуха.

Газовая постоянная влажного воздуха определяется выражением

, 3.8

она больше газовой постоянной сухого воздуха.

Плотность влажного воздуха определяется выражением

, 3.9

она меньше плотности сухого воздуха, т.е. влажный воздух легче сухого воздуха.

Влагосодержание dэто масса водяного пара в граммах, приходящаяся на 1 кг сухого воздуха. В общем случае понятие влагосодержание относится не только к паровой фазе воды, но и к жидкой, и к твердой ее фазам. Расчетное выражение для влагосодержания паровой фазы воды в воздухе в г/ кг с.в. получается из соотношения

, 3.10

путем замены отношений масс на массовые доли и выражения последних через объемные доли, которые представляют отношения соответствующих парциальных давлений к давлению всей смеси:

, 3.11

где gп. gв — массовые доли пара и сухого воздуха,

rп. rв — объемные доли пара и сухого воздуха.

Энтальпия влажного воздуха Н рассчитывается на 1 кг сухого воздуха в кДж/ кг с.в. и определяется как сумма энтальпий компонентов, находящихся в 1 кг сухого воздуха:

, 3.12

где dп. dж. dт — количество пара, жидкости и твердой фазы Н2 О лед, снег в граммах на килограмм сухого воздуха влагосодержания

hв. hп. hж. hт — удельные энтальпии сухого воздуха, пара, жидкости и твердой фазы Н2 О, кДж/кг.

В выражении 3.12 энтальпии всех компонентов влажного воздуха необходимо подставлять при одинаковых давлениях и температурах начала их отсчета.

Для атмосферного влажного воздуха удельные энтальпии всех компонентов можно рассчитать, приняв ряд допущений, которые не приведут к погрешностям инженерных расчетов в диапазоне изменения атмосферного давления и температуры от -40 до 150 о С более чем на 0,5 %.

Эти допущения сводятся к следующему.

Начало отсчета удельной энтальпии сухого воздуха принимают при tо 0 о С и считают, что энтальпия сухого воздуха зависит только от температуры как для идеального газа , а его изобарная теплоемкость — величина постоянная. Расчетное выражение удельной энтальпии сухого воздуха в этом случае будет соответствовать соотношению

где hво 0 начало отсчета энтальпии сухого воздуха при 0 о С

cрв 1 кДж/ кг К — изобарная теплоемкость идеального сухого воздуха, принята постоянной.

При таких допущениях удельная энтальпия сухого воздуха в кДж/кг численно равна его температуре в градусах Цельсия:

Для определения энтальпии воды и водяного пара начало отсчета внутренней энергии uо 0 принято при параметрах тройной точки воды to 0,01 о С и Рo 611,2 Па на линии насыщения х 0. При этих параметрах численное значение энтальпии hо Po vo 0,000611 кДж/кг представляет очень малую величину, которую для наших расчетов можно принять равной нулю. Таким образом, можно считать, что начало отсчета энтальпии H2 О, как и сухого воздуха, ведется от 0 о С и ее численное значение при этой температуре равно нулю hпо ?0 .

Для определения энтальпии водяного пара используется теплота изобарного процесса Рo const от to до t, состоящая из теплоты парообразования и теплоты перегрева пара, которая рассчитывается как разница энтальпий:

Поскольку энтальпию в тройной точке воды приняли за нуль, то абсолютное значение удельной энтальпии пара определяется выражением

hп ro + qп 2501 + 1,93t, 3.14

где ro 2501 кДж/кг — теплота парообразования воды при 0 о С,

qп 1,93t — теплота перегрева пара от tо до t, при изобарной теплоемкости перегретого пара принятой величиной постоянной, cрп 1,93 кДж/ кг К , что допустимо для интервала температур атмосферного воздуха.

Этим выражением можно пользоваться и для расчета энтальпий пара при давлениях, отличных от давления тройной точки воды. Это объясняется тем, что при атмосферных условиях парциальные давления пара малы и близки к давлению тройной точки воды.

Для определения энтальпии жидкой фазы воды принимают постоянной ее изобарную теплоемкость, что допустимо при параметрах атмосферного воздуха. Исходя из этого допущения расчетное выражение энтальпии жидкой фазы воды будет представлено в виде уравнения

где срж 4,187 кДж/ кг К — изобарная теплоемкость воды.

Для определения энтальпии твердой фазы воды лед, снег принимаются постоянными удельная теплота плавления льда и его изобарная теплоемкость. Эти величины берутся при параметрах тройной точки воды. Такие допущения возможны, поскольку в соответствии с Р,t- диаграммой для воды рис.3.2 имеют место следующие факты:

в атмосферном воздухе твердая фазы воды т.ф. может присутствовать только при температурах и парциальных давлениях пара, меньших или равных температуры и давления тройной точки воды, т.к. только на линии сублимации АС возможно одновременное существование паровой и твердой фаз воды

плавление льда в атмосферном воздухе возможно только при температуре 0 о С

переход льда в паровую фазу при температурах меньше 0 о С происходит, минуя жидкую фазу воды, по линии сублимации АС

парциальное давление водяного пара при отрицательных температурах атмосферного воздуха не намного меньше давления тройной точки воды Ро. следовательно, теплота изобарного охлаждения твердой фазы воды от 0 о С может быть рассчитана по изобаре Ро .

Энтальпия льда будет величиной отрицательной, поскольку начало отсчета энтальпии идет от температуры 0 о С жидкой фазы воды, а температура льда всегда меньше или равна 0 о С. Расчетное выражение энтальпии твердой фазы воды льда, снега в атмосферном воздухе представляет собой сумму удельной теплоты плавления льда, взятой с отрицательным знаком, и удельной изобарной теплоты охлаждения льда от t 0 о С до отрицательной температуры t:

hт — ? + срт t — 0 -335 + 2,17t. 3.16

где ? 335 кДж/кг — удельная теплота плавления льда при t 0 о С,

срт 2,1 кДж/ кг К — изобарная теплоемкость льда взята при давлении тройной точки воды и принята величиной постоянной.

В результате всех вышеприведенных упрощений окончательное расчетное выражение энтальпии влажного атмосферного воздуха в кДж/ кг с.в. примет вид

. 3.17

Психрометр

Это прибор для определения влагосодержания атмосферного воздуха. Он состоит из двух термометров: сухого и мокрого рис.3.3 . Мокрый термометр обернут тканью, смачиваемой водой.

Сухой термометр показывает температуру t атмосферного влажного воздуха. Мокрый термометр показывает температуру tм. которая в большинстве случаев меньше температуры сухого термометра. Понижение температуры tм по отношению к температуре t вызвано испарением воды из ткани. Однако tм будет больше температуры точки росы вследствие наличия теплообмена влажной ткани с окружающей средой, имеющей температуру t>tм .

При насыщенном влажном воздухе вода не может испаряться из ткани и t tм. При ненасыщенном влажном воздухе t>tм. Чем суше воздух, тем больше разница температур t-tм и тем меньше его влагосодержание. Зависимость влагосодержания dп для атмосферного воздуха от t и tм устанавливается экспериментально. Результаты этих испытаний сводятся в психрометрические таблицы, которыми пользуются для определения влагосодержания воздуха по показаниям температур психрометра.

3.3. H,d — диаграмма атмосферного влажного воздуха

Для упрощения определения параметров атмосферного влажного воздуха используют H,d- диаграмму влажного воздуха. Она строится для постоянного давления воздуха обычно Р 745 мм рт.ст. , но поскольку парциальное давление водяного пара на несколько порядков меньше давления влажного воздуха, а атмосферное давление изменяется в небольших пределах, то, с достаточной для инженерных расчетов степенью точности, ими можно пользоваться и при других атмосферных давлениях воздуха.

Построение H,d- диаграммы влажного воздуха основано на расчетном выражении энтальпии атмосферного влажного воздуха:

.

Построение H,d- диаграммы в прямоугольной системе координат не выполняется. Это объясняется большим углом наклона изотерм к оси d в прямоугольной системе координат для области ненасыщенного влажного воздуха. Тангенс их угла наклона к оси d определяется выражением ?H/?d t 2501+1,937t /1000, что соответствует углу, близкому к 90 о. В такой системе координат все изотермы в области ненасыщенного влажного воздуха будут располагаться очень близко друг к другу и к оси H. Работа с такой диаграммой практически невозможна.

H,d- диаграмму выполняют в косоугольной системе координат, как правило, с углом между осями H и d в 135 о. Это позволяет увеличить по сравнению с прямоугольной системой координат расстояние между изотермами и линиями других характеристик ненасыщенного влажного воздуха в H,d- диаграмме.

Рассмотрим принцип построения линий, изображенных на H,d- диаграмме влажного воздуха рис.3.4 . Ось координат влагосодержаний d имеет нулевое начало. Вертикальные линии в H,d- диаграмме представляют линии постоянных влагосодержаний d const. Линии постоянных энтальпий H const параллельны оси d и идут под углом 135 о к оси H.

Как выбрать оборудование для термообработки в системе Pulset.ru.

Мы представляем рейтинг магазинов, продающих в Туле производственные линии.

Воспользуйтесь возможностью сравнить характеристики термического оборудования и цены в разных магазинах от разных производителей. Получите дополнтельные преимущества, да и просто — экономьте время и деньги.

Подробные описания и наличие отзывов помогут получить полную информацию о теплотехнике, предлагаемых к продаже в магазинах города.

Выбирая магазины в нашей системе Вы сможете купить оборудование для термообработки и другую производственные линии с нужными характеристиками по привлекательной цене и с доставкой в Туле.

Кроме того, Вас ждет огромный выбор продавцов в разделе Производственные линии Тула .

Если товары, предлагаемые Вашей компанией относятся к производственных линий, Вы можете организовать собственный интернет-магазин в системе Pulset.ru.

Другие понятия термического оборудования, используемые в системе: Оборудование для термообработки, Термическое оборудование, и другие.

А так же — Термостаты, Теплообменники, Оборудование закалочное, Сушильное оборудование, Теплогенераторы, Печи промышленные.

Комментарии запрещены.

Реклама